На этом этапе работа по определению процессов, происходящих в Ага-3, была передана другому постдоку Кристине Борланд, специалисту по молекулярной генетике, получившей докторскую степень в Йельском университете. У нее была непростая задача провести данный эксперимент безукоризненно. Сначала она исключила возможность того, что популяцию заселил контаминант, которого не определишь обычными методами и который мог питаться цитратом. Далее ей следовало установить, что цитрат потребляла именно популяция Ага-3: возможно, популяцию каким-то образом заселил другой штамм E.coli, который разобрался в том, как использовать цитрат. Проведенный ею анализ ДНК показал, что в популяции присутствовали особые мутации, которые уже давно были свойственны Ага-3.
А это означало только одно: единственная популяция, прожившая в колбах в лаборатории Ленски в течение четырнадцати лет, совершила существенный эволюционный скачок.
Каким-то образом благодаря правильной комбинации мутаций и естественного отбора у популяции развилась адаптация, на которую, насколько это известно, данный вид не был способен на протяжении миллионов лет своего существования в естественных условиях[50]. Эволюционная значимость этой адаптивной трансформации так велика, что Ленски озвучил мнение, что, вероятно, данный штамм находится в процессе превращения в новый вид. И теперь, спустя тринадцать лет, данная гипотеза вскоре воплотится в научную работу. Но произошло это лишь в одной из двенадцати популяций. Даже сейчас, по прошествии тридцати тысяч генераций и десяти с лишним лет, данная способность не эволюционировала больше ни у одной из оставшихся популяций. Вот вам и предсказуемость, и параллельная эволюция!
СТИВЕН ДЖЕЙ ГУЛД представлял свою идею «прокручивания пленки» как мыслительный эксперимент, который, как он считал, невозможно осуществить. «Плохая новость в том[89], что вряд ли нам удастся осуществить этот эксперимент», – писал он. Но на самом деле это можно проделать с микробами. Наличие возможности заморозить и оживить микробов означает, что мы способны повернуть время вспять, прокрутить пленку истории. Замороженные образцы предковых популяций можно снова возродить и встроить в процесс эволюции, а потом пронаблюдать, будет ли итог таким же, как в первый раз. Это важнейшее преимущество работы с микробами, которое, по словам Ленски, он недооценивал, когда начинал свой эксперимент. Он полагал, что готовит реплицированный аналог метафоре Гулда – параллельную эволюцию двенадцати популяций, – но возможность возрождать популяции замороженных микробов означала, что он действительно способен прокрутить пленку, вернуться назад во времени и начать все заново.
Итак, зимой 2004 года шанс нажать на «повтор» выпал двадцатисемилетнему аспиранту Заку Блаунту, недавно прибывшему в лабораторию Ленски.
Блаунт, мягкий и учтивый уроженец южного штата Джорджия, испытывающий, как ни странно, любовь к суровым северным зимам, приехал в Мичиган не для того, чтобы работать с Ленски. Но в той лаборатории, куда он собирался, у него что-то не сложилось, и он начал искать другие варианты. Блаунту понравился основанный на гипотезах подход, применявшийся в лаборатории Ленски, а Ленски увидел в Блаунте молодого человека, «серьезного и умного[90], спокойного, склонного заниматься наукой из любопытства и тяге к знаниям».
Блаунт оказался в лаборатории в правильное время: Борланд только что установила, что у популяции Ага-3 развилась способность использовать цитрат. Это влекло за собой массу других вопросов. Изначально Блаунт работал над частью проекта, возглавляемого Борланд. Но после того как она в том же году переехала с мужем в Китай, Ленски перепоручил ему весь проект. И вряд ли кто-то из них догадывался, что он выльется в итоге в десятилетний труд и что за этим последует не только докторская степень Блаунта, но и многие годы исследований, и его международное признание.
Облаченный в свой «фирменный» окрасившийся лабораторный халат (изначально зеленый, а теперь голубой), Блаунт приступил к работе. К тому моменту уже триллионы E.coli прожили и умерли в ходе эксперимента (двенадцать популяций, тридцать тысяч генераций, десятки миллионов клеток с переносимым объемом в день, считайте). А потому казалось маловероятным, что способность переваривать цитрат («Cit+» на языке лаборатории Ленски[51]) была результатом одной-единственной мутации: если единственное генетическое изменение могло породить данную способность, учитывая миллиарды мутаций, которые, вероятно, происходили в ходе эксперимента, то наверняка Cit+ эволюционировала довольно быстро или во множестве популяций.
Более вероятной альтернативой было то, что понадобилось несколько генетических изменений, случившихся одно за другим, чтобы в итоге появилась Cit+. Различия между двумя этим популяциями – одна или несколько мутаций, ответственных за эволюцию Cit+ – очевидны, по крайней мере в теории.
Блаунт вернулся к замороженным окаменелостям Авалона, на этот раз чтобы посмотреть, можно ли получить Cit+, чтобы она повторно эволюционировала из предковой популяции Ага-3, которая потеряла способность переваривать цитрат (Cit-).
Если включение определенных первичных мутаций было необходимо для эволюции цитрата, тогда лишь в относительно недавних популяциях могла развиться Cit+, потому что только эти популяции, а не более ранние, обладали предрасполагающими мутациями. И наоборот, если понадобилась только одна мутация, тогда способность становиться Cit+ должна быть одинаково возможна применительно к любой из предковых популяций, возрожденных на любом этапе эксперимента.
Однако понять что-то вовсе не означает быстро решить проблему. Блаунт извлек образцы Ага-3, заархивированные по отдельности двенадцать раз в разное время в течение эксперимента, от начального предка в 1988 году до недавно замороженных популяций. Из каждого отдельного образца он извлек клетки и использовал их, чтобы создать шесть реплицированных популяций – всего получилось семьдесят две, – и позволил им эволюционировать в течение двух с половиной лет. У четырех из семидесяти двух популяций эволюционировала способность переваривать цитрат, все четыре были порождены относительно недавними предками. Данные результаты подтвердили, что только недавние популяции Ага-3 смогли выработать способность к перевариванию цитрата.
Блаунту уже наскучило ждать результатов данного эксперимента, а потому параллельно он опробовал еще один метод, более чувствительный к малейшим проявлениям эволюционной способности Cit+. Данный метод заключался в том, чтобы взять клетки из образцов популяции, которые были заморожены в разное время, и вырастить их для производства множества популяций, состоящих из более чем десяти миллиардов клеток каждая. Затем эти популяции помещали в чашки Петри, где в качестве пищи присутствовал исключительно цитрат, которого хватало на период до трех недель. В этих условиях лишь редкий мутант Cit+ мог вырасти до размеров колонии. Из трех тысяч двухсот популяций, которые изучал Блаунт, лишь тринадцать – примерно треть процента – эволюционировали, став Cit+. И опять же, большинство популяций были относительно недавними, самая ранняя – из предковой популяции, замороженной на отметке в двадцать тысяч генераций.
В ходе этих «прокручиваний пленки» стали очевидными два факта[91]. Во-первых, эволюция Cit+ случается лишь изредка даже среди популяций, выдерживаемых в идентичных условиях. Во-вторых, способность переваривать цитрат обеспечивает не одна-единственная мутация, а несколько. Причем все они, по-видимому, случаются довольно редко. Вероятней всего, незадолго до наступления отметки в двадцать тысяч генераций у популяции развилось некое свойство, которое подготовило почву для последующей эволюции способности Cit+. Эта заданная комбинация очень редких событий объясняет, почему потребовалось появление свыше тридцати тысяч генераций, чтобы у одной популяции возникла подобная способность, и почему она больше не появлялась снова ни у одной из оставшихся одиннадцати.
Описание проекта Зака Блаунта не передаст всего того объема работы, который потребовался, чтобы получить эти результаты. Блаунт стал известен в кругах эволюционных биологов благодаря снимкам, где он сидит в позе лотоса – ноги скрещены, глаза закрыты, указательный и большой палцы образуют круг, одну из мудр в медитации, – в своей яркой робе перед гигантской башней из сложенных в стопку тринадцати тысяч чашек Петри, которые использовались в ходе только одного из этих экспериментов.
ПЯТЬ ЛЕТ И СОРОК ТРИЛЛИОНОВ КЛЕТОК E.COLI понадобилось за то время, что минуло с момента начала работы Блаунта над проектом и до момента выхода первой его научной публикации с результатами исследования. К тому времени, когда она появилась летом 2008 года, он был уже готов приступить к следующей стадии проекта, цель которого – выявить, какие именно мутации произошли.
Одно из преимуществ долгосрочного эксперимента в том, что появляются новые технологические возможности. Это позволяет осуществить на более поздних стадиях то, о чем лишь мечталось в самом начале. В данном случае речь идет о возможности легко и дешево секвенировать геном целых организмов. Когда секвенирование генома впервые стало возможным в последние годы XX века, получение всей последовательности оснований ДНК одного организма могло стоить миллионы долларов и занять долгие годы.
Но к 2008 году цена составляла уже семь тысяч долларов, а ожидание длилось всего месяц[52]. Вооружившись этими возможностями, Блаунт и его коллеги приступили к секвенированию Cit+ и Cit- клеток E.coli с целью установить генетические изменения, ответственные за эволюцию способности переваривать цитрат.
Я не стану здесь вдаваться в биотехнологические детали того, как это все происходило. Но потребовалось еще четыре года, и за это время Блаунт получил докторскую степень и работал в лаборатории Ленски уже в качестве постдока. Применив свою молекулярную магию